ตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้าแบบ Capacitive

ในโพสต์นี้เราจะเรียนรู้ว่าวงจรแบ่งแรงดันไฟฟ้าแบบคาปาซิทีฟทำงานอย่างไรในวงจรอิเล็กทรอนิกส์ผ่านสูตรและตัวอย่างที่แก้ไข

โดย: Dhrubajyoti Biswas

Voltage Divider Network คืออะไร

เมื่อพูดถึงวงจรแบ่งแรงดันไฟฟ้าสิ่งสำคัญคือต้องสังเกตว่าแรงดันไฟฟ้าในวงจรแบ่งได้รับการกระจายอย่างเท่าเทียมกันระหว่างส่วนประกอบที่มีอยู่ทั้งหมดที่เกี่ยวข้องกับเครือข่ายแม้ว่าความจุอาจแตกต่างกันไปตามรัฐธรรมนูญของส่วนประกอบ

วงจรแบ่งแรงดันไฟฟ้าสามารถสร้างขึ้นจากส่วนประกอบปฏิกิริยาหรือแม้กระทั่งจากตัวต้านทานคงที่

อย่างไรก็ตามเมื่อเปรียบเทียบกับตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้าแบบ capacitive ตัวแบ่งตัวต้านทานจะไม่ได้รับผลกระทบจากการเปลี่ยนแปลงความถี่ในแหล่งจ่าย

เอกสารนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อให้เข้าใจโดยละเอียดเกี่ยวกับตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้าแบบ capacitive แต่เพื่อให้ได้ข้อมูลเชิงลึกมากขึ้นจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องลงรายละเอียดปฏิกิริยาของตัวเก็บประจุและผลกระทบต่อตัวเก็บประจุที่ความถี่ต่างๆ

ตัวเก็บประจุทำจากแผ่นนำไฟฟ้าสองแผ่นวางขนานกันซึ่งแยกออกจากกันด้วยฉนวน เพลตทั้งสองนี้มีประจุบวก (+) หนึ่งอันและประจุลบ (-) อีกอันหนึ่ง

เมื่อตัวเก็บประจุถูกชาร์จจนเต็มผ่านกระแสไฟฟ้ากระแสตรงอิเล็กทริก [นิยมเรียกว่าฉนวน] จะทำให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านแผ่นเปลือกโลก

ลักษณะที่สำคัญอีกประการหนึ่งของตัวเก็บประจุเมื่อเปรียบเทียบกับตัวต้านทานคือตัวเก็บประจุจะเก็บพลังงานไว้บนแผ่นนำไฟฟ้าในระหว่างการชาร์จซึ่งตัวต้านทานไม่ได้เนื่องจากมักจะปล่อยพลังงานส่วนเกินออกมาเป็นความร้อน

แต่พลังงานที่เก็บไว้โดยตัวเก็บประจุจะถูกส่งผ่านไปยังวงจรที่เชื่อมต่อกับมันในระหว่างกระบวนการคายประจุ

คุณลักษณะของตัวเก็บประจุเพื่อเก็บประจุนี้เรียกว่ารีแอคแตนซ์และเรียกอีกอย่างว่า Capacitive Reactance [Xc] ซึ่งโอห์มเป็นหน่วยวัดมาตรฐานสำหรับรีแอคแตนซ์

ตัวเก็บประจุที่ปล่อยออกมาเมื่อเชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายไฟ DC ค่ารีแอคแตนซ์ยังคงต่ำในระยะเริ่มต้น

กระแสส่วนใหญ่ไหลผ่านตัวเก็บประจุเป็นช่วงสั้น ๆ ซึ่งบังคับให้แผ่นนำไฟฟ้าถูกชาร์จอย่างรวดเร็วและในที่สุดสิ่งนี้จะยับยั้งการไหลผ่านของกระแสไฟฟ้าต่อไป

Capacitor บล็อก DC อย่างไร

ในตัวต้านทานเครือข่ายชุดตัวเก็บประจุเมื่อช่วงเวลาถึงขนาด 5RC แผ่นนำไฟฟ้าของตัวเก็บประจุจะได้รับการชาร์จจนเต็มซึ่งหมายถึงประจุที่ได้รับจากตัวเก็บประจุจะเท่ากับแหล่งจ่ายแรงดันซึ่งจะหยุดการไหลของกระแสต่อไป

นอกจากนี้รีแอคแตนซ์ของตัวเก็บประจุในสถานการณ์นี้ภายใต้อิทธิพลของแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงถึงสถานะสูงสุด [เมกะโอห์ม]

ตัวเก็บประจุในแหล่งจ่ายไฟ AC

เกี่ยวกับการใช้กระแสสลับ [AC] เพื่อชาร์จตัวเก็บประจุซึ่งการไหลของกระแสไฟฟ้ากระแสสลับจะมีโพลาไรซ์สลับกันเสมอตัวเก็บประจุที่ได้รับการไหลจะต้องได้รับการชาร์จและการคายประจุอย่างต่อเนื่องบนจานของมัน

ตอนนี้ถ้าเรามีกระแสคงที่เราก็ต้องกำหนดค่ารีแอกแตนซ์เพื่อ จำกัด การไหล

ปัจจัยในการกำหนดค่าความต้านทานของตัวเก็บประจุ

หากเรามองย้อนกลับไปที่ความจุเราจะพบว่าปริมาณประจุบนแผ่นนำไฟฟ้าของตัวเก็บประจุเป็นสัดส่วนกับค่าของความจุและแรงดันไฟฟ้า

ตอนนี้เมื่อตัวเก็บประจุได้รับการไหลของกระแสจากอินพุต AC แรงดันไฟฟ้าจะผ่านการเปลี่ยนแปลงค่าคงที่ซึ่งจะเปลี่ยนค่าของเพลตอย่างสม่ำเสมอตามสัดส่วนเกินไป

ตอนนี้เรามาพิจารณาสถานการณ์ที่ตัวเก็บประจุมีค่าความจุสูงกว่า

ในสถานการณ์นี้ความต้านทาน R ใช้เวลาในการชาร์จตัวเก็บประจุมากขึ้นτ = RC นี่หมายความว่าถ้ากระแสชาร์จไหลเป็นระยะเวลานานรีแอคแตนซ์จะบันทึกค่า Xc ที่น้อยลงขึ้นอยู่กับความถี่ที่ระบุ

ในกรณีที่ค่าความจุมีขนาดเล็กกว่าในตัวเก็บประจุดังนั้นในการชาร์จตัวเก็บประจุจะต้องใช้เวลา RC ที่สั้นลง

เวลาที่สั้นลงนี้ทำให้การไหลของกระแสในช่วงเวลาสั้นลงซึ่งส่งผลให้ค่ารีแอกแตนซ์น้อยกว่าเมื่อเทียบกับ Xc

ดังนั้นจึงเห็นได้ว่าด้วยกระแสที่สูงขึ้นค่าของปฏิกิริยาจะยังคงน้อยและในทางกลับกัน

และด้วยเหตุนี้รีแอคแตนซ์ความจุจึงแปรผกผันกับค่าความจุของตัวเก็บประจุเสมอ

XC ∝ -1 ค.

เป็นสิ่งสำคัญที่จะต้องทราบว่าความจุไม่ใช่ปัจจัยเดียวในการวิเคราะห์ปฏิกิริยาของประจุไฟฟ้า

ด้วยความถี่ต่ำของแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับที่ใช้รีแอคแตนซ์จะพัฒนาเวลาได้มากขึ้นตามค่าคงที่ของเวลา RC ที่จัดสรร นอกจากนี้ยังปิดกั้นกระแสซึ่งแสดงให้เห็นค่ารีแอกแตนซ์ที่สูงขึ้น

ในทำนองเดียวกันหากความถี่ที่ใช้มีค่าสูงค่ารีแอคแตนซ์จะช่วยให้รอบเวลาในการชาร์จและการคายประจุน้อยลง

นอกจากนี้ยังได้รับการไหลของกระแสที่สูงขึ้นในระหว่างกระบวนการซึ่งนำไปสู่การลดค่ารีแอคแตนซ์

ดังนั้นนี่จึงพิสูจน์ได้ว่าอิมพีแดนซ์ (AC reactance) ของตัวเก็บประจุและขนาดของมันขึ้นอยู่กับความถี่ ดังนั้นความถี่ที่สูงขึ้นจึงส่งผลให้รีแอคแตนซ์ต่ำลงและในทางกลับกันจึงสรุปได้ว่า Capacitive Reactance Xc แปรผกผันกับความถี่และความจุ

ทฤษฎีการเกิดปฏิกิริยาคาปาซิทีฟดังกล่าวสามารถสรุปได้ด้วยสมการต่อไปนี้:

Xc = 1 / 2πfC

ที่ไหน:

· Xc = Capacitive Reactance ในโอห์ม, (Ω)


·π (pi) = ค่าคงที่เป็นตัวเลข 3.142 (หรือ 22 ÷ 7)


·ƒ = ความถี่ในเฮิรตซ์, (Hz)


· C = ความจุใน Farads, (F)

ตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้าแบบ Capacitive

ในส่วนนี้จะมีจุดมุ่งหมายเพื่อให้คำอธิบายโดยละเอียดเกี่ยวกับความถี่ของการจ่ายมีผลต่อตัวเก็บประจุสองตัวที่เชื่อมต่อกลับไปด้านหลังหรือในอนุกรมซึ่งเรียกได้ว่าเป็นวงจรแบ่งแรงดันไฟฟ้าแบบ capacitive

วงจรแบ่งแรงดันไฟฟ้าแบบ Capacitive

เพื่อแสดงให้เห็นถึงการทำงานของตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้าแบบคาปาซิทีฟให้เราอ้างถึงวงจรด้านบน ที่นี่ C1 และ C2 อยู่ในอนุกรมและเชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายไฟ AC 10 โวลต์ อยู่ในอนุกรมทั้งตัวเก็บประจุได้รับประจุเดียวกัน Q.

อย่างไรก็ตามแรงดันไฟฟ้าจะยังคงแตกต่างกันและขึ้นอยู่กับค่าของความจุ V = Q / C

เมื่อพิจารณาจากรูปที่ 1.0 การคำนวณแรงดันไฟฟ้าข้ามตัวเก็บประจุสามารถกำหนดได้หลายวิธี

ทางเลือกหนึ่งคือการหาค่าอิมพีแดนซ์ของวงจรทั้งหมดและกระแสของวงจรนั่นคือเพื่อติดตามค่าของรีแอกแตนซ์ของตัวเก็บประจุในตัวเก็บประจุแต่ละตัวแล้วคำนวณแรงดันตกคร่อม ตัวอย่างเช่น:

ตัวอย่าง 1

ตามรูปที่ 1.0 ด้วย C1 และ C2 ที่ 10uF และ 20uF ตามลำดับคำนวณแรงดันไฟฟ้า rms ที่เกิดขึ้นทั่วตัวเก็บประจุในสถานการณ์ของแรงดันไฟฟ้าไซน์ 10 โวลต์ rms ที่ 80Hz

C1 10uF ตัวเก็บประจุ
Xc1 = 1 / 2πfC = 1 / 2π x 80 x 10uF x 10-6 = 200 โอห์ม
C2 = ตัวเก็บประจุ 20uF
Xc1 = 1 / 2πfC = 1 / 2π x 8000 x 22uF x 10-6 = 90
โอห์ม

ปฏิกิริยาความจุรวม

Xc (รวม) = Xc1 + Xc2 = 200Ω + 90Ω = 290Ω
กะรัต = (C1 x C2) / (C1 + C2) = 10uF x 22uF / 10uF + 22uF = 6.88uF
Xc = 1 / 2πfCt = 1/1 / 2π x 80 x 6.88uF = 290Ω

กระแสในวงจร

ฉัน = E / Xc = 10V / 290Ω

แรงดันไฟฟ้าจะลดลงอย่างต่อเนื่องสำหรับทั้งตัวเก็บประจุ ที่นี่ตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้าแบบ capacitive คำนวณได้ดังนี้:

Vc1 = ฉัน x Xc1 = 34.5mA x 200Ω = 6.9V
Vc2 = ฉัน x Xc2 = 34.5mA x 90Ω = 3.1V

หากค่าของตัวเก็บประจุแตกต่างกันตัวเก็บประจุที่มีค่าน้อยกว่าจะสามารถชาร์จเป็นแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นเมื่อเทียบกับค่าขนาดใหญ่

ในตัวอย่างที่ 1 ค่าแรงดันไฟฟ้าที่บันทึกคือ 6.9 & 3.1 สำหรับ C1 และ C2 ตามลำดับ เนื่องจากการคำนวณเป็นไปตามทฤษฎีแรงดันไฟฟ้าของ Kirchoff ดังนั้นแรงดันไฟฟ้าทั้งหมดที่ลดลงสำหรับตัวเก็บประจุแต่ละตัวจึงเท่ากับค่าแรงดันของแหล่งจ่าย

บันทึก:

อัตราส่วนแรงดันตกสำหรับตัวเก็บประจุสองตัวที่เชื่อมต่อกับวงจรแบ่งแรงดันไฟฟ้าแบบอนุกรมจะยังคงเหมือนเดิมแม้ว่าจะมีความถี่ในการจ่ายก็ตาม

ดังนั้นตามตัวอย่างที่ 1, 6.9 และ 3.1 โวลต์จึงเหมือนกันแม้ว่าความถี่ของแหล่งจ่ายจะเพิ่มสูงสุดจาก 80 ถึง 800Hz ก็ตาม

ตัวอย่างที่ 2

จะหาแรงดันไฟฟ้าของตัวเก็บประจุโดยใช้ตัวเก็บประจุแบบเดียวกับที่ใช้ในตัวอย่างที่ 1 ได้อย่างไร?

Xc1 = 1 / 2πfC = 1 / 2π x 8000 x 10uF = 2 โอห์ม

Xc1 = 1 / 2πfC = 1 / 2π x 8000 x 22uF = 0.9 โอห์ม

I = V / Xc (รวม) = 10 / 2.9 = 3.45 แอมป์

ดังนั้น Vc1 = I x Xc1 = 3.45A x 2Ω = 6.9V

และ Vc2 = I x Xc2 = 3.45A x 0.9 Ω = 3.1V

เนื่องจากอัตราส่วนแรงดันไฟฟ้ายังคงเหมือนกันสำหรับตัวเก็บประจุทั้งสองด้วยความถี่ของการจ่ายที่เพิ่มขึ้นผลกระทบของมันจะเห็นได้ในรูปแบบของการลดลงของรีแอคแตนซ์ของประจุไฟฟ้ารวมเช่นเดียวกับความต้านทานของวงจรทั้งหมด

อิมพีแดนซ์ที่ลดลงทำให้การไหลของกระแสสูงขึ้นตัวอย่างเช่นกระแสของวงจรที่ 80Hz อยู่ที่ประมาณ 34.5mA ในขณะที่ 8kHz อาจมีการเพิ่มขึ้น 10 เท่าของการจ่ายกระแสซึ่งอยู่ที่ประมาณ 3.45A

ดังนั้นจึงสรุปได้ว่าการไหลของกระแสผ่านตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้าแบบคาปาซิทีฟเป็นสัดส่วนกับความถี่ I ∝ f

ดังที่ได้กล่าวไว้ข้างต้นตัวแบ่ง capacitive ซึ่งเกี่ยวข้องกับชุดของตัวเก็บประจุที่เชื่อมต่ออยู่ทั้งหมดจะลดแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับ

ในการค้นหาแรงดันตกที่ถูกต้องตัวแบ่งตัวเก็บประจุจะใช้ค่าของปฏิกิริยาการเก็บประจุของตัวเก็บประจุ

ดังนั้นจึงไม่ทำงานเป็นตัวแบ่งสำหรับแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงเนื่องจากใน DC ตัวเก็บประจุจะดักจับและปิดกั้นกระแสซึ่งทำให้เกิดการไหลของกระแสไฟฟ้าเป็นศูนย์

ตัวแบ่งสามารถใช้ในกรณีที่อุปทานขับเคลื่อนด้วยความถี่

มีการใช้ตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้าแบบ Capacitive ที่หลากหลายตั้งแต่อุปกรณ์สแกนนิ้วไปจนถึง Colpitts Oscillators นอกจากนี้ยังเป็นที่ต้องการอย่างกว้างขวางเนื่องจากเป็นทางเลือกราคาถูกสำหรับหม้อแปลงไฟฟ้าที่ใช้ตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้าแบบ capacitive เพื่อปล่อยกระแสไฟสูง